Funktionelle Charakterisierung der Metalloendopeptidasen Meprin alpha und Meprin beta unter besonderer Berücksichtigung pathologischer Umstände in der menschlichen Dermis

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuentdeckte Astacin-ähnliche-Proteasen LAST undrnLAST_MAM aus dem Pfeilschwanzkrebs Limulus polyphemus funktionell charakterisiert.rnInsbesondere LAST_MAM, eignet sich zur phylogenetischen Untersuchung, hinsichtlich derrnEvolution von Astacin-ähnlichen-Proteasen mit MAM-Domäne, zu denen auch die Meprinernzählen. Es wurde deutlich, dass LAST_MAM nicht unmittelbar mit anderen Astacinen, diernüber eine MAM-Domäne verfügen, verwandt ist, und dass von einer divergenten Entwicklungrndieser Proteasen und der MAM-Domäne selbst ausgegangen werden muss.rnMeprin Metalloendopeptidasen werden in membrangebundener und sezernierter Form,rnvorwiegend in Epithelien aber auch in intestinalen Leukozyten und bestimmten Krebszellenrnexprimiert. Meprin

Aktivität der humanen Meprin-Metalloproteasen unter Berücksichtigung potentieller Aktivatoren

Die Metalloproteasen Meprin α und Meprin β sind an essentiellen (patho)physiologischen Prozessen beteiligt. Um die Funktion dieser Proteasen zu verstehen, ist es von Bedeutung, sie nicht isoliert, sondern im gesamten proteolytischen Netzwerk zu betrachten.rnDie Meprine werden in einer Vielzahl von Geweben, in Leukozyten, aber auch in Krebszellen exprimiert. In der Haut konnten die beiden Enzyme in unterschiedlichen dermalen Schichten detektiert werden, wo sie u.a. an der Kollagenassemblierung durch Abspaltung der Propeptide beteiligt sind. rnIm Zuge von Proteomics Analysen konnten mehr als 3000 proteolytische Schnittstellen von fünf Astacin-Metalloproteasen (Meprin α, Meprin β, Astacin, LAST und LAST_MAM) in Peptiden und nativen Substraten identifiziert werden und somit eine Aussage über die Spaltspezifität getroffen werden. In der vorliegenden Arbeit konnten diese Spaltspezifitäten mit Hilfe von fluorogenen Substraten in vitro verifiziert werden. Bemerkenswert hierbei ist die starke Präferenz der beiden Meprine und LAST_MAM für die Aminosäuren Aspartat und Glutamat in der P1‘ Position. rnMeprine werden als Zymogene exprimiert und müssen durch proteolytische Prozessierung einer tryptischen Protease aktiviert werden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit waren Aktivitätsbestimmungen beider Meprine unter Berücksichtigung potentieller Aktivatoren und Substrate. Es konnten die kallikrein-related peptidases (KLK) 4, 5 und 8 als spezifische Aktivatoren identifiziert werden, wobei nur KLK5 beide Proteasen aktiviert. Sowohl KLK4 als auch KLK8 sind lediglich in der Lage, das Propeptid von Meprin β abzuspalten. Außerdem konnte biochemisch und mittels Proteomics gezeigt werden, dass proKLK7 von Meprin β prozessiert wird. Durch N-terminale Sequenzierung wurde eine Schnittstelle zwei Aminosäuren N-terminal der eigentlichen Aktivierungsstelle identifiziert. Dieser Schritt beschleunigt die Aktivierung von KLK7, wenn durch Trypsin noch das verbliebene Dipeptid abgespalten wird. rnDa einige Vertreter der humanen kallikrein-related peptidases (KLK) als Meprin-Aktivatoren identifiziert werden konnten, sollten diese im Zuge dieser Arbeit im Modellorganismus Danio rerio untersucht werden. Durch in silico und RT-PCR Analysen konnte gezeigt werden, dass keine funktionellen KLK-Homologe im Zebrafisch codiert sind. Da somit andere tryptische Proteasen an der Aktivierung der Meprine beteiligt sein müssen, wurde die Transmembran-Serinprotease TMPRSS4 analysiert. In der Tat zeigte die Reduktion des Expressionslevels von TMPRSS4 durch Morpholino-Injektion drastische Störungen in der embryonalen Entwicklung von Zebrabärblingen. Mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie ließ sich eine Fehlbildung der epidermalen Haut bis zu einem Ablösen der Keratinozyten von dem darunter liegenden Gewebe feststellen. rn

Molecular interaction of the human metalloprotease meprin beta with the amyloid precursor protein, ADAM10, and ADAM17 based on proteomics

Die Zinkendopeptidasen Meprin α und β sind Schlüsselkomponenten in patho(physiologischen) Prozessen wie Entzündung, Kollagenassemblierung und Angiogenese. Nach ihrer Entdeckung in murinen Bürstensaummembranen und humanen Darmepithelien, wurden weitere Expressionsorte identifiziert, z.B. Leukozyten, Krebszellen und die humane Haut. Tiermodelle, Zellkulturen und biochemische Analysen weisen auf Funktionen der Meprine in der Epithelialdifferenzierung, Zellmigration, Matrixmodellierung, Angiogenese, Bindegewebsausbildung und immunologische Prozesse hin. Dennoch sind ihre physiologischen Substrate weitgehend noch unbekannt. Massenspektrometrisch basierte Proteomics-Analysen enthüllten eine einzigartige Spaltspezifität für saure Aminosäurereste in der P1´ Position und identifizierten neue biologische Substratkandidaten. Unter den 269 extrazellulären Proteinen, die in einem Substratscreen identifiziert wurden, stellten sich das amyloid precursor protein (APP) and ADAM10 (a disintegrin and metalloprotease 10) als sehr vielversprechende Kandidaten heraus. Mehrere Schnittstellen innerhalb des APP Proteins, hervorgerufen durch verschiedenen Proteasen, haben unterschiedlichen Auswirkungen zur Folge. Die β-Sekretase BACE (β-site APP cleaving enzyme) prozessiert APP an einer Schnittstelle, welche als initialer Schritt in der Entwicklung der Alzheimer Erkrankung gilt. Toxische Aβ (Amyloid β)-Peptide werden in den extrazellulären Raum freigesetzt und aggregieren dort zu senilen Plaques. Membran verankertes Meprin β hat eine β-Sekretase Aktivität, die in einem Zellkultur-basierten System bestätigt werden konnte. Die proteolytische Effizienz von Meprin β wurde in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Analysen bestimmt und war um den Faktor 104 höher als die von BACE1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Meprin β die ersten zwei Aminosäuren prozessiert und somit aminoterminal einen Glutamatrest freisetzt, welcher nachfolgend durch die Glutaminylzyklase in ein Pyroglutamat zykliert werden kann. Trunkierte Aβ-Peptide werden nur in Alzheimer Patienten generiert. Aufgrund einer erhöhten Hydrophobie weisen diese Peptide eine höhere Tendenz zur Aggregation auf und somit eine erhöhte Toxizität. Bis heute wurde keine Protease identifiziert, welche diese Schnittstelle prozessiert. Die Bildung der Meprin vermittelten N-terminalen APP Fragmenten wurde in vitro und in vivo detektiert. Diese N-APP Peptide hatten keine cytotoxischen Auswirkungen auf murine und humane Gehirnzellen, obwohl zuvor N-APP als Ligand für den death receptor (DR) 6 identifiziert wurde, der für axonale Degenerationsprozesse verantwortlich ist. rnIm nicht-amyloidogenen Weg prozessiert ADAM10 APP und entlässt die Ektodomäne von der Zellmembran. Wir konnten das ADAM10 Propeptid als Substrat von Meprin β identifizieren und in FRET Analysen, in vitro und in vivo zeigen, dass die Meprin vermittelte Prozessierung zu einer erhöhten ADAM10 Aktivität führt. Darüber hinaus wurde ADAM10 als Sheddase für Meprin β identifiziert. Shedding konnte durch Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) oder durch das Ionophor A23187 hervorgerufen werden, sowie durch ADAM10 Inhibitoren blockiert werden. rnDiese Arbeit konnte somit ein komplexes proteolytisches Netwerk innerhalb der Neurophysiologie aufdecken, welches für die Entwicklung der Alzheimer Demenz wichtig sein kann.rn

Subepithelial collagen content in the peripheral airways of heaves-affected and control horses

Chez les patients asthmatiques, on retrouve un remodelage de la matrice extracellulaire des poumons, caractérisé par une augmentation du collagène ou fibrose de la couche sous-épithéliale des voies respiratoires. Le souffle, maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires inférieures des chevaux matures, présente des similarités physiopathologiques avec l’asthme humain, incluant le remodelage. Ceci nous conduit à l’hypothèse que la fibrose de la couche sous-épithéliale pourrait être une composante des lésions pulmonaires chez les chevaux affectés, ce que notre étude avait pour objectif d’évaluer. Des biopsies pulmonaires périphériques réalisées par voie thoracoscopique ont été obtenues chez 5 chevaux témoins et 6 chevaux atteints du souffle, avant (T0) et après une stimulation antigénique de 30 jours avec du foin moisi et de la paille. Avant le début de l’étude, les sujets étaient en rémission clinique et ne démontraient aucun signe clinique de maladie. Un examen microscopique des échantillons prélevés a été réalisé après traitement au picrosirius-rouge, colorant spécifique des fibres de collagène. La surface du collagène de la couche sous-épithéliale a été mesurée et corrigée en fonction de la taille de la voie respiratoire en utilisant des techniques morphométriques standards. Les chevaux atteints de souffle ont une surface de collagène plus grande dans la couche sous-épithéliale (p<0.1) en comparaison avec les chevaux témoins. La fibrose de la couche sous-épithéliale demeure inchangée chez les chevaux malades après la stimulation antigénique de 30 jours. À T0, la fibrose de la couche sous-épithéliale est associée positivement aux variations maximales de pression pleurale et à la résistance pulmonaire chez les chevaux atteints de souffle. Les résultats de cette étude suggèrent qu’une fibrose de la couche sous-épithéliale est présente dans les voies respiratoires périphériques des chevaux atteints de souffle et contribue au déficit de fonction résiduel pulmonaire observé lors de rémission clinique.

Influence de la fibrose hépatique sur le développement du carcinome hépatocellulaire

Le carcinome hépatocellulaire (CHC) est un cancer au pronostic sombre, car il est souvent diagnostiqué trop tardivement pour entreprendre un traitement curatif. Il se développe dans 80-90% des cas sur fond de cirrhose. On connait mal comment la fibrose, étape préliminaire à la cirrhose, et son principal constituant, le collagène de type 1 (COL1), peuvent jouer un rôle dans le processus du CHC. Nous avons tout d’abord étudié le développement de la fibrose dans un modèle utilisant la souris nue. Nous avons déterminé qu’après 16 semaines d’administration de thioacétamide dans l’eau de boisson, il est possible d’obtenir une fibrose suffisante pour induire une hépatoprotection en présence de différents hépatotoxiques (AST dans le sérum de souris fibrotiques vs non-fibrotiques : Anti-Fas JO2 (4665 ± 2596 vs. 13953 ± 2260 U/L; P<0.05), acétaminophène (292 ± 66 vs. 4087 ± 2205 U/L; P<0.01) et CCL4 (888 ± 268 vs. 15673 ± 2782 U/L; P<0.001)). Ces résultats confirment que la présence de COL1 et de fibrose favorise la survie des hépatocytes normaux tel qu’observé précédemment au laboratoire. Par la suite, nous avons sélectionné in vivo, par injection intrasplénique de la lignée de CHC Hepa1-6, une lignée à forte tumorigénicité nommée dt-Hepa1-6 (28±12 lésions vs. 0±0 lésions à 21 jours). Cette lignée était composée d’une sous-population cellulaire arborant la protéine de surface EpCAM (34.0±0.1%). Par tri cellulaire, nous avons démontré que ces cellules étaient partiellement responsables de la tumorigénicité accrue (EpCAM + (86.7±2.3%) :1093±74 lésions vs. EpCAM- (15.3±1.0%) :473±100 lésions; P<0.01). Nous avons alors démontré que la présence de fibrose favorise le développement de la lignée dt-Hepa1-6 in vivo (604±242 vs 22±9 lésions; P<0.05). De plus, la présence de fibrose réduit l’efficacité du traitement au cisplatin in vivo (44.5±4.9 vs. 78.7±6.9%; P<0.01) confirmant les résultats obtenus in vitro (Apoptose : COL1 13.75±0.44% vs. plastique 31.45±1.37%; P<0.001). En conclusion, la présence de fibrose et de son principal constituant, le COL1, favorise la survie et la progression du CHC.

Differential distribution of some extracellular matrix fibers in an experimentally denervated rat megaileum

Absence of enteric neurons is associated with thickening of the intestinal muscularis externa in Chagas' disease. The thickening is due to hyperplasia and hypertrophy of the smooth muscle cells and increased extracellular matrix components. The influence of the nervous system on the structure of the smooth muscle cells and its associated matrix has been poorly investigated. An experimental model of denervation of the ileum in rats was performed by application of the surfactant agent benzalkonium chloride that selectively destroys the myenteric plexus. Three months later, ileal tissue samples were obtained and studied by histochemistry and transmission electron microsocopy. Sham operated rats were used as controls. The diameter of collagen fibrils was evaluated in electron micrographs. The histopathological analysis showed thickening of the muscular layer. The thin and weakly arranged collagen and reticulin fibers surrounding the smooth muscle cells, observed in control cases by Picrosirius polarization (PSP) stain method, corresponded to a population of loosely packed thin collagen fibrils of uniform diameters (mean = 29.16 nm) at the ultrastructural level. In contrast, the thick and strongly birefringent fibers around the muscle cells, observed in the treated group, stained by PSP, corresponded to densely packed thicker fibrils with large variation in diameter (mean = 39.41 nm). Comparison of the data demonstrated statistically significant difference between the groups suggesting that the replacement of loosely arranged reticulin fibers by fibrous tissue (with typical collagen fiber), may alter the biomechanical function resulting in impairment of muscular contraction. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Role of nitric oxide in the remodelling of extracellular matrix in myxomatous mitral valve degeneration of dogs and pigs

Myxomatous mitral valve degeneration (MMVD) or endocardiosis is a heart valve disease that occurs in many mammalian species, especially in humans, dogs and pigs. Nitric oxide (NO) plays an important role in the MMVD development. NO can be indirectly evaluated by the nitric-oxide synthase (NOS) expression and by the histochemical reaction of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-diaphorase (NADPH-d). The aim of this study was to evaluate NOS activity, by NADPH-d reaction, in the anterior leaflet of dogs with regular mitral valves and in those with MMVD, as well as in young swine and old females, comparing the reaction level with the degree of endocardiosis disease and also the histological alterations. Twelve mitral valves of dogs and 22 of swine were used for the research. All the valves were macroscopically analyzed for the occurrence or not of endocardiosis. They were fixed in a 4% paraformaldehyde, exposed to NADPH-d reaction, routinely processed and microscopically evaluated for the detection of mucopolysaccharides (MPS) deposition, collagen degeneration, fibrosis and level of endocardiosis. In dogs, relation was observed between higher intensity of the NADPH-d reaction, higher endocardiosis degree, MPS deposition as well as the collagen degeneration. No alteration in color was observed in pigs ́ valves during NADPH-d reaction. In conclusion, NO works in canine mitral valve remodeling extracellular matrix and plays an important role in endocardiosis disease. In swine, the lack of reaction reinforces the absence of macroscopical endocardiosis lesions, suggesting restrict NO action or major differences in the structures of swine valves.

Die Rolle des Fibronektins im Knochen und in der diabetischen Nephropathie

Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle des Fibronektins im Knochen sowie in der diabetischen Nephropathie. Fibronektin im Knochen: Es war bekannt, dass Osteoblasten für ihre Differenzierung in vitro Fibronektin benötigen, dass Fibronektin für die Ausbildung einer Kollagenmatrix erforderlich ist und für die Matrixintegrität eine kontinuierliche Fibronektin-Versorgung gewährleistet sein muss. Um die Rolle des Fibronektins im Knochen, dessen Matrix zu 90% aus Kollagen besteht, näher zu untersuchen, wurde das Fibronektin der Osteoblasten spezifisch über das Cre/loxP-System in Mäusen ausgeschaltet. Dies führte zu einer erhöhten Anzahl an Osteoblasten, deren Fähigkeit die Matrix zu mineralisieren jedoch beeinträchtigt war. Dennoch zeigte sich kein Einfluss auf die Eigenschaften der Knochenmatrix. Insbesondere war der Fibronektingehalt nicht vermindert, entgegen der allgemeinen Annahme, dass die Osteoblasten die Produzenten des Fibronektins der Knochenmatrix seien. Im Gegensatz dazu stellte sich durch Untersuchungen an anderen genetisch veränderten Mäusen heraus, dass eine Ausschaltung des Plasmafibronektins im Blut zu einer deutlichen Verringerung des Fibronektingehalts des Knochens sowie zu einer Verminderung des Mineralgehalts bezogen auf die Proteinmenge führte. Auch die Komposition des Minerals war verändert. Da es jedoch keinen nennenswerten Effekt auf die Knochenzellen gab, lässt sich schlussfolgern, dass die Osteoblasten-spezifische Fibronektin-Isoform für eine regelgerechte Funktion der Osteoblasten notwendig ist, während das von der Leber produzierte Plasmafibronektin die Zusammensetzung der Knochenmatrix beeinflusst. Fibronektin in der diabetischen Niere: Mit der diabetischen Nephropathie geht eine Ausdehnung des Mesangiums in den Glomeruli einher, die mit dem Ausmaß des Nierenschadens korreliert ist. Fibronektin ist ein Bestandteil dieses expandierten Mesangiums. Vorarbeiten hatten gezeigt, dass injiziertes Fibronektin durch die Blutzirkulation in die Niere gelangt und in der Mesangialmatrix der Glomeruli eingelagert wird. Daher wurden in konditionellen Knockout-Mäusen das Plasmafibronektin bzw. das Fibronektin der Mesangialzellen und das Plasmafibronektin zugleich ausgeschaltet. In diesen Mäusen wurde ein Diabetes mellitus induziert und die Tiere für 22 Wochen mit Diabetes gehalten. Die Ausschaltung des Fibronektins hatte eine geringere Ausbreitung der Mesangialmatrix sowie eine geringere Mortalität der Tiere zur Folge. Interessanterweise schien das Plasmafibronektin alleine bereits grob ein Drittel der Ausdehnung des Mesangiums zu verursachen. Die kombinierte Ausschaltung von zirkulierendem und lokalem Fibronektin vermochte die Expansion der Mesangialmatrix sogar beinahe zu halbieren. Zusammengefasst zeigten sich neue Rollen eines traditionellen Proteins der Extrazellulärmatrix in physiologischen und pathologischen Zuständen. Einige dieser Aspekte demonstrieren die große Bedeutung der Fibronektin-Produktion durch die Leber.

The extracellular matrix contributes to mechanotransduction in uterine fibroids.

The role of the extracellular matrix (ECM) and mechanotransduction as an important signaling factor in the human uterus is just beginning to be appreciated. The ECM is not only the substance that surrounds cells, but ECM stiffness will either compress cells or stretch them resulting in signals converted into chemical changes within the cell, depending on the amount of collagen, cross-linking, and hydration, as well as other ECM components. In this review we present evidence that the stiffness of fibroid tissue has a direct effect on the growth of the tumor through the induction of fibrosis. Fibrosis has two characteristics: (1) resistance to apoptosis leading to the persistence of cells and (2) secretion of collagen and other components of the ECM such a proteoglycans by those cells leading to abundant disposition of highly cross-linked, disoriented, and often widely dispersed collagen fibrils. Fibrosis affects cell growth by mechanotransduction, the dynamic signaling system whereby mechanical forces initiate chemical signaling in cells. Data indicate that the structurally disordered and abnormally formed ECM of uterine fibroids contributes to fibroid formation and growth. An appreciation of the critical role of ECM stiffness to fibroid growth may lead to new strategies for treatment of this common disease.

Processing of procollagen III by meprins: new players in extracellular matrix assembly?

Meprins ? and ?, a subgroup of zinc metalloproteinases belonging to the astacin family, are known to cleave components of the extracellular matrix, either during physiological remodeling or in pathological situations. In this study we present a new role for meprins in matrix assembly, namely the proteolytic processing of procollagens. Both meprins ? and ? release the N- and C-propeptides from procollagen III, with such processing events being critical steps in collagen fibril formation. In addition, both meprins cleave procollagen III at exactly the same site as the procollagen C-proteinases, including bone morphogenetic protein-1 (BMP-1) and other members of the tolloid proteinase family. Indeed, cleavage of procollagen III by meprins is more efficient than by BMP-1. In addition, unlike BMP-1, whose activity is stimulated by procollagen C-proteinase enhancer proteins (PCPEs), the activity of meprins on procollagen III is diminished by PCPE-1. Finally, following our earlier observations of meprin expression by human epidermal keratinocytes, meprin ? is also shown to be expressed by human dermal fibroblasts. In the dermis of fibrotic skin (keloids), expression of meprin ? increases and meprin ? begins to be detected. Our study suggests that meprins could be important players in several remodeling processes involving collagen fiber deposition.

A novel 2D-based approach to the discovery of candidate substrates for the metalloendopeptidase meprin

In the past, protease-substrate finding proved to be rather haphazard and was executed by in vitro cleavage assays using singly selected targets. In the present study, we report the first protease proteomic approach applied to meprin, an astacin-like metalloendopeptidase, to determine physiological substrates in a cell-based system of Madin-Darby canine kidney epithelial cells. A simple 2D IEF/SDS/PAGE-based image analysis procedure was designed to find candidate substrates in conditioned media of Madin-Darby canine kidney cells expressing meprin in zymogen or in active form. The method enabled the discovery of hitherto unknown meprin substrates with shortened (non-trypsin-generated) N- and C-terminally truncated cleavage products in peptide fragments upon LC-MS/MS analysis. Of 22 (17 nonredundant) candidate substrates identified, the proteolytic processing of vinculin, lysyl oxidase, collagen type V and annexin A1 was analysed by means of immunoblotting validation experiments. The classification of substrates into functional groups may propose new functions for meprins in the regulation of cell homeostasis and the extracellular environment, and in innate immunity, respectively.

Type I collagen-templated assembly of silver nanoparticles and their application in surface-enhanced Raman scattering

Silver nanoparticles (Ag NPs) are one of the active substrates that are employed extensively in surface-enhanced Raman scattering (SERS), and aggregations of Ag NPs play an important role in enhancing the Raman signals. In this paper, we fabricated two kinds of SERS-active substrates utilizing the electrostatic adsorption and superior assembly properties of type I collagen. These were collagen-Ag NP aggregation films and nanoporous Ag films.

Type I collagen-mediated synthesis and assembly of UV-photoreduced gold nanoparticles and their application in surface-enhanced Raman scattering

We reported a simple method to synthesize gold nanoparticles (NPs) by photoreducing HAuCl4 in acetic acid solution in the presence of type I collagen. It was found that the collagen takes an important role in the formation of gold NPs. The introduction of collagen made the shape of the synthesized gold nanocrystals change from triangular and hexangular gold nanoplates to size-uniform NPs. On the other hand, thanks to the special characters of collagen molecules, such as its linear nanostructure, are positively charged when the pH < 7, and the excellent self-assembly ability, photoreduced gold NPs were assembled onto the collagen chains and formed gold NPs films and networks. A typical probe molecule, 4-aminothiophenol, was used to test the surface-enhanced Raman scattering activity of these gold NPs films and networks and the results indicated good Raman activity on these substrates.

The effect of pH on the self-assembly of a collagen derived peptide amphiphile

Transitions in nanostructure driven by pH are observed for a self-assembling peptide amphiphile (PA) with a cationic pentapeptide headgroup. At pH 3, the PA forms flat tape-like structures, while at pH 4 the PA assembles into twisted right handed structures. These twisted structures transform again to flat tape-like structures at pH 7. In complete contrast, spherical micelles are observed at pH 2. These changes in response to pH may be relevant to biological and pharmaceutical applications of this PA in skincare.